那 靜

(廣東省有色金屬地質(zhì)局九三三隊， 廣東 肇慶 526060)

迪慶藏族自治州位于云南省西北部，滇、藏、川三大省份的交界處，區(qū)域的平均海拔為3 380 m，云南省迪慶藏族自治州共轄3個縣級行政區(qū)。地質(zhì)健康與環(huán)境穩(wěn)定是經(jīng)濟快速發(fā)展的基礎(chǔ)保障，需要對迪慶藏族自治州北部進行安全監(jiān)測工作，并科學地進行災(zāi)害預警和防護[1-2]。區(qū)域的礦產(chǎn)資源豐富，礦區(qū)山高坡陡，溝谷縱橫分布，同時伴隨地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、新構(gòu)造運動強烈，造成一定程度的巖層破碎，在松散固體物質(zhì)儲量豐富、植被條件較差的環(huán)境背景條件下，容易引發(fā)山區(qū)溝谷泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害[3]，災(zāi)害威脅到了人類生產(chǎn)生活、礦區(qū)安全、路網(wǎng)擴建和社會發(fā)展進步，對于云南省迪慶藏族自治州北部的地表安全監(jiān)測至關(guān)重要。

過往對于區(qū)域大范圍的監(jiān)測技術(shù)主要以傳統(tǒng)點位監(jiān)測技術(shù)為主[3-5]，受限于不穩(wěn)定的天氣環(huán)境和復雜的空間環(huán)境，同時，也要投入繁重的人力勞動資源。近年來，隨著合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)的成熟和雷達衛(wèi)星高分辨率SAR數(shù)據(jù)商業(yè)化的發(fā)展，遙感雷達衛(wèi)星可以對地進行全天時、全天候的觀測成像[6-9]，通過對地表觀測數(shù)據(jù)進行處理分析，獲取地表形變信息，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大范圍地表監(jiān)測研究和預警抗災(zāi)工作中[7-10]。 本文通過小基線集干涉測量 (Small Baseline Subset, SBAS)技術(shù)處理37景雷達衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，將云南省迪慶藏族自治州北部作為研究目標對象，獲取范圍地面的地表形變信息。基于區(qū)域的地質(zhì)資料和衛(wèi)星影像對云南省迪慶藏族自治州北部地表形變進行分析推斷，為地表形態(tài)安全、自然環(huán)境保護和區(qū)域發(fā)展建設(shè)做好監(jiān)測保障工作。

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 區(qū)域概況

迪慶藏族自治州位于云南省西北部，滇、藏、川三大省份的交界處，青藏高原伸延部分南北縱向排列的橫斷山脈，金沙江、瀾滄江、怒江三江并流國家級風景名勝區(qū)腹地，瀾滄江和金沙江自北向南貫穿全境。云南省北部礦產(chǎn)資源豐富，礦區(qū)山高坡陡，溝谷縱橫分布，同時伴隨地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、新構(gòu)造運動強烈，造成一定程度的巖層破碎，在松散固體物質(zhì)儲量豐富和植被條件較差的條件下，多期性的山區(qū)溝谷泥石流極易發(fā)生。進入雨季和山洪暴發(fā)期間，維西縣、德欽縣瀾滄江沿線有一定幾率發(fā)生大規(guī)模泥石流并且造成嚴重的地質(zhì)災(zāi)害。隨著迪慶藏族自治州北部的人類活動、工商業(yè)生產(chǎn)日益頻繁，泥石流暴發(fā)的頻率、規(guī)模越來越大，災(zāi)害碎石越來越嚴重，致使區(qū)域地質(zhì)環(huán)境造成的負面影響不斷擴大，伴隨著泥石流溝谷水土流失不斷加劇[11-13]。

1.2 SAR數(shù)據(jù)

研究采用干涉寬幅(IW)模式的Sentinel-1A(S1A)雷達衛(wèi)星成像的影像，連續(xù)提供C波段的雷達衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)。C-SAR傳感器優(yōu)勢在于其適用于任何天氣和氣候條件，穿透雨云，實現(xiàn)全天候?qū)Φ厍虮砻孢M行成像，監(jiān)測地表精細形變(mm級)[14-15]，包括干涉寬幅(IW)、條帶(SM)、超寬幅(EW)以及波(WV)這4種不同類型的觀測模式，成像區(qū)域廣闊，地面分辨率高，監(jiān)測數(shù)據(jù)覆蓋范圍充足。

針對區(qū)域山峽山川密布、鄉(xiāng)縣分布坐落規(guī)律、雪山群和大型淡水湖泊分布狀況，研究選取了迪慶藏族自治州北部區(qū)域獲取大范圍雷達遙感監(jiān)測影像，對德欽縣北部和香格里拉縣北部進行了地表形變長周期監(jiān)測。監(jiān)測總面積約為17 830 km2。為保證綜合研究效率和針對云南省北方區(qū)域監(jiān)測覆蓋的時間跨度范圍，研究所采用的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)每隔12 d或24 d獲取一景S1A衛(wèi)星影像，共計37景影像，干涉寬幅(IW)模式的數(shù)據(jù)幅寬為250 km，地面分辨率為5 m×20 m?？傊芷跒?018年1月12日至2020年2月19日，監(jiān)測范圍如圖1所示。

圖1 迪慶藏族自治州北部監(jiān)測衛(wèi)星影像覆蓋范圍

1.3 相關(guān)參考數(shù)據(jù)

針對Sentinel-1A衛(wèi)星獲得的影像，進行干涉處理前，需要精密定軌星歷數(shù)據(jù)(Precise Orbit Determination,POD )和參考數(shù)字高程模型(DEM)。

精密軌道數(shù)據(jù)信息是InSAR數(shù)據(jù)處理中非常重要的信息,從最初的圖像配準到最后的形變圖像生成都有著重要的作用。本研究在干涉處理工作中，選擇了AUX_POEORB精密星歷軌道參數(shù)進行匹配修正。含有誤差的軌道信息造成基線誤差以殘差條紋的形式存在于實驗干涉圖。因此，對軌道信息進行修正需要用到衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)，可有效去除因軌道誤差引起的系統(tǒng)性誤差。

研究選用了由PRISM(全色立體測繪儀)傳感器采集的35 km×35 km光學影像所生產(chǎn)的高精度數(shù)字地表模型作為數(shù)字高程模型(DEM)，此傳感器搭載于JAXA(日本宇宙航空開發(fā)機構(gòu))聯(lián)合美國RESTEC公司，采集自日本發(fā)射的ALOS衛(wèi)星，DEM的平面以及高程精度均達到5 m，其數(shù)據(jù)產(chǎn)品覆蓋范圍包含世界全部陸地范圍[9]。由于AW3D產(chǎn)品采用光學影像使用立體像對反演地表高程，解決使用InSAR干涉技術(shù)進行高程反演的時候由于干涉圖失相干所導致的數(shù)據(jù)缺失以及空洞問題，在沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中，需要進行去平地效應(yīng)和地形相位的估計以及去除，所以軌道誤差的估計以及去除等操作將采用DEM。本次針對迪慶區(qū)的地表形變監(jiān)測研究采集的DEM數(shù)據(jù)范圍覆蓋區(qū)域完整。

2 技術(shù)與流程

SBAS方法是由Berlendino等學者提出的反演方法，這種方法是基于D-InSAR 技術(shù)，對InSAR監(jiān)測獲得的地表形變速率時間序列反演方法。SBAS的主要處理步驟如下：

1)組合干涉對。本文實驗通過時間和垂直基線閾值的設(shè)置，對干涉影像對數(shù)量進行控制，以提高結(jié)果的精確度和可靠性。將干涉對按照時間、空間基線設(shè)置閾值內(nèi)進行組合，生成干涉對影像，圖2為區(qū)域監(jiān)測干涉對的時空基線圖。

圖2 干涉對時空基線圖

2)干涉工作流。干涉工作流是SBAS技術(shù)處理干涉對過程中一項重要的工作流程。研究選取時間序列SAR影像中的一幅影像作為公共主影像(Master Image)，其余為從影像(Slave Images)。對組合的干涉影像對進行影像配準、相干圖生成、濾波以及相位解纏等處理工作。

3)軌道精煉調(diào)整與重新去平地效應(yīng)。通過軌道精煉調(diào)整與重新去平地效應(yīng)，對上一步干涉工作流的結(jié)果進行估計和消除殘余軌道相位。

4)SBAS反演。SBAS第一步反演工作，將進行初級的形變速率和大氣效應(yīng)的估算，并且優(yōu)化干涉對的解纏結(jié)果精度，提高干涉測量的效果。在初步反演的基礎(chǔ)上，進行SBAS第二步反演是進行改正、精準計算形變時間序列中不同階段的形變速率。隨后進行干涉對的低通濾波工作，并且去除大氣相位屏，進一步提高干涉測量的結(jié)果精度。

5)地理編碼。SBAS技術(shù)獲得形變場后會進行地理編碼工作，其步驟是將形變速率結(jié)果投影至目標定義的方向上，將該地區(qū)時間序列的沉降速率圖和沉降時間序列結(jié)果匹配坐標系呈現(xiàn)出來。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 區(qū)域整體形變情況分析

研究共采用37景Sentinel-1A雷達衛(wèi)星SAR影像進行SBAS數(shù)據(jù)處理，處理的時間范圍從2018年1月12日至2020年2月19日,共計26個月的監(jiān)測周期。通過SBAS反演獲取了研究區(qū)域形變速度場，并分析獲取平均形變速率結(jié)果。由區(qū)域形變量示意圖3可以看出，區(qū)域平均形變量處于-8～8 mm內(nèi)，整體的地表形變情況處于穩(wěn)定狀態(tài)。在局部地區(qū)發(fā)現(xiàn)幾處明顯的下沉現(xiàn)象，最大沉降量達106 mm，最大抬升量為81 mm。

圖3 迪慶藏族自治州北部平均形變量

在研究中，發(fā)現(xiàn)的重點明顯形變區(qū)域位置包括鄉(xiāng)縣居民區(qū)、重要道路橋梁、山脈區(qū)域、溝谷陡坡、巖壁石山等等，持續(xù)地表沉降覆蓋的區(qū)域?qū)Νh(huán)境發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)、建構(gòu)筑物安全、人民生活等方面會造成負面的影響。區(qū)域的總體概況中，人類活動區(qū)域和大部分山脈區(qū)域較為穩(wěn)定，較多的沉降發(fā)生區(qū)域集中在區(qū)域中部和東側(cè)的溝谷密集區(qū)域。根據(jù)迪慶藏族自治州北部地理區(qū)位因素，在研究中選取多個觀測穩(wěn)定的區(qū)域點位和多個發(fā)生明顯沉降的重點監(jiān)測區(qū)域進行監(jiān)測分析。其中重點山區(qū)監(jiān)測明顯形變的區(qū)域(Deformation Area)包括兩處區(qū)域、觀測穩(wěn)定的區(qū)域(Stable Area)一處區(qū)域，以及重要國道沿線監(jiān)測一處區(qū)域，詳見重點監(jiān)測區(qū)域示意圖4，并根據(jù)各個區(qū)域的綜合條件設(shè)定了采樣點進行時間序列分析。

圖4 迪慶藏族自治州北部重點監(jiān)測區(qū)域

3.2 重點監(jiān)測區(qū)域分析

1)香格里拉東旺鄉(xiāng)監(jiān)測區(qū)域。通過監(jiān)測，重點沉降區(qū)域1的云南省與四川省交界處附近發(fā)生較為嚴重的地表形變現(xiàn)象。此區(qū)域位于云南省香格里拉東旺鄉(xiāng)與四川省甘孜藏族自治州鄉(xiāng)城縣交界處附近，地處橫斷山脈斷層地帶。據(jù)土地資料查閱，區(qū)域附近雪峰林立，河谷縱橫。沉降區(qū)域集中在山脈陡坡處。發(fā)生嚴重沉降3 km范圍內(nèi)包含S217重要道路。此處平均最大沉降量為-106 mm。由區(qū)域遙感衛(wèi)星影像沉降區(qū)域圖5可見，此區(qū)域內(nèi)坡體陡峭，極易發(fā)生滑坡、落石等災(zāi)害。由區(qū)域內(nèi)選取的3個采樣點#DQ01、#DQ02、#DQ03的時序分析圖6可見，最大累計沉降量分別可達到-130 mm、-121 mm、-118 mm，沉降速率快，呈現(xiàn)持續(xù)沉降的趨勢，其在迪慶州北部的全部觀測區(qū)域內(nèi)為沉降形變最嚴重的采樣點位。應(yīng)予以關(guān)注和持續(xù)監(jiān)測，以防止地表沉降災(zāi)害對生態(tài)環(huán)境可能帶來的影響和傷害。

圖5 香格里拉東旺鄉(xiāng)沉降區(qū)域圖

圖6 香格里拉東旺鄉(xiāng)區(qū)域采樣點時間序列圖

2)德欽縣壓寨雪山監(jiān)測區(qū)域。在德欽縣壓寨雪山監(jiān)測區(qū)域附近的重點沉降監(jiān)測區(qū)域2的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)范圍較大的地表形變現(xiàn)象。由Google Earth衛(wèi)星數(shù)據(jù)影像針對滑坡的特征隨時間變化的特性，解譯發(fā)現(xiàn)山區(qū)中存在滑坡后壁特征和滑坡體特征。根據(jù)區(qū)域位置和地理海拔分析，由冰雪消融和不穩(wěn)定山體碎石影響導致發(fā)生滑坡概率極大。區(qū)域內(nèi)沉降范圍較大，沉降量不均勻，沉降速率相對較快，平均累計沉降量達-73～-90 mm。伴隨周圍區(qū)域地表抬升，錯位變化可能導致存在斷層、裂縫等嚴重的地形變化。在沉降嚴重區(qū)域選取采樣點，由沉降區(qū)域范圍圖7中山體形變處分別選擇了5點#DQ04、#DQ05、#DQ06、#DQ07、#DQ08進行時序監(jiān)測。通過時間序列分析圖9，采樣點#DQ04、#DQ06、#DQ07在監(jiān)測期間內(nèi)最大累計沉降量分別為-75 mm、-72 mm、-129 mm。#DQ05、#DQ08采樣點則位于藍色累計形變區(qū)域內(nèi)，其形變較為平緩，受到地表變化影響較小。

圖7 德欽縣壓寨雪山區(qū)域沉降范圍圖

圖8 德欽縣壓寨雪山區(qū)域衛(wèi)星影像圖

圖9 德欽縣壓寨雪山區(qū)域采樣點時間序列圖

根據(jù)影像圖8分析，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋稀少，巖石長期裸露，地勢陡峭，松散碎屑堆積。此類堆積體在雪山消融時存在易滑、塌陷的災(zāi)害隱患。采樣點#DQ04、#DQ07兩處的沉降區(qū)域在下沉過程中受到擾動因素干擾，具體擾動因素需進一步調(diào)查和分析。

3)德欽縣縣城中心居民區(qū)監(jiān)測區(qū)域。針對迪慶州北部的地表形變監(jiān)測，除了重點沉降區(qū)域，研究還對穩(wěn)定的區(qū)域進行研究分析。在德欽縣縣城中心居民區(qū)附近，由InSAR干涉測量技術(shù)監(jiān)測結(jié)果由形變范圍圖10可見，居民區(qū)域以及其附近道路區(qū)域范圍內(nèi)較為穩(wěn)定。在縣城中心區(qū)域選取采樣點#DQ09、#DQ10進行時間序列分析，由時序圖11可見，總體的地表形變量不超過±7 mm。此穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)坐落大量的生活居民區(qū)和城市道路，同時也緊鄰重要交通路網(wǎng)。應(yīng)持續(xù)對區(qū)域進行監(jiān)測管理，以保障區(qū)域地質(zhì)“健康”與穩(wěn)定，排查安全隱患。

圖10 德欽縣縣城中心區(qū)域地表形變范圍圖

圖11 德欽縣縣城中心區(qū)域采樣點時間序列圖

4)214國道云南德欽段監(jiān)測區(qū)域。214國道云南德欽段沿線地形復雜，氣候高寒，被人們視為險道畏途。由InSAR干涉測量技術(shù)對云南德欽其中一段倚靠山區(qū)的道路進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果由形變范圍圖12可見，道路區(qū)域范圍內(nèi)較為穩(wěn)定，小部分地方呈現(xiàn)形變影響。在區(qū)域中選取采樣點J#DQ11、#DQ12進行時間序列分析，由時序圖13可見，總體的地表形變量不超過±5 mm。道路路面較為穩(wěn)定，無明顯形變影響。應(yīng)持續(xù)對道路進行監(jiān)測管理，排查隱患，保障道路運行安全。

圖12 214國道云南德欽段區(qū)域地表形變范圍圖

圖13 214國道云南德欽段區(qū)域采樣點時間序列圖

4 結(jié) 論

本文將SBAS技術(shù)運用于迪慶藏族自治州北部的地表形變監(jiān)測工作中，獲取研究區(qū)域的地表形變速度場，對重點山區(qū)、縣城、道路進行了監(jiān)測與安全隱患排查工作。針對迪慶藏族自治州北部共圈定了4處重點監(jiān)測區(qū)域，發(fā)現(xiàn)的重點明顯形變區(qū)域位置包括山脈區(qū)域、溝谷陡坡、巖壁石山等等，持續(xù)地表沉降覆蓋的區(qū)域?qū)Νh(huán)境發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)、建構(gòu)筑物安全、人民生活等方面會造成影響和損失。大部分山脈區(qū)域的總體概況較為穩(wěn)定，較多的沉降發(fā)生區(qū)域集中在區(qū)域中部和東側(cè)的溝谷密集區(qū)域。

在進行時序分析后，得出各采樣點的形變狀況。山脈區(qū)域的沉降點呈現(xiàn)持續(xù)沉降的趨勢，坡體、巖壁、泥石流高發(fā)區(qū)域等地區(qū)的沉降點呈現(xiàn)不穩(wěn)定的沉降規(guī)律，需進一步針對重要沉降區(qū)域進行監(jiān)測工作和研究分析，做好應(yīng)急預案處理。頻繁的交通路網(wǎng)工程建設(shè)施工、大規(guī)模的基建建造、山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)作業(yè)等都有可能對地質(zhì)造成一定的影響[11]。為使迪慶藏族自治州北部發(fā)展規(guī)劃與環(huán)境穩(wěn)定得到進一步的保護，進一步促進山區(qū)環(huán)境改造發(fā)展，對地表的長期精密監(jiān)測是至關(guān)重要的，以此最大限度地減少持續(xù)的地表沉降覆蓋區(qū)域?qū)I(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境發(fā)展、人民生活等方面造成的破壞和損失。

本文在迪慶藏族自治州北部的監(jiān)測研究中，對于SBAS技術(shù)的運用，在未來對于類似地區(qū)研究可以進行技術(shù)參考和對比分析。隨著InSAR技術(shù)的發(fā)展、衛(wèi)星遙感技術(shù)優(yōu)化和我國在該領(lǐng)域的研究進步[12]，使用InSAR技術(shù)對大范圍區(qū)域進行監(jiān)測，反演獲得地表形變速度場，能夠更快速定位區(qū)域發(fā)展環(huán)境限制條件，針對地表形變分布監(jiān)測提供具有更高時效性、精確性、可靠性的地表形變信息。